基于Micro-CT技術(shù)的豬牛羊皮革內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析

中圖分類號(hào)：TS57 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-3851（2025）09-0625-09

Reference Format： FENG Min， YANG Hailiang，CHEN Haixiang，et al. Internal structural characteristics analysis of pig，catte and goat leather based on Micro-CT[J].Journal of Zhejiang Sci-Tech University，2025，53（5）：625-633.

Internal structural characteristics analysis of pig， cattle and goat leather based on Micro-CT

FENG Min1 ，YANG Hailiang2 ，CHEN Haixiang1 ，YUE Yawen1 ，QU Jinxia1 （1. National Engineering Lab for Textile Fiber Materials and Processing Technology， Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 310o18， China； 2. China National Silk Museum， Hangzhou ，China）

Abstract： To observe and analyze the internal structural characteristics of leather，two-dimensional images of pig，cattle，and goat leather were obtained by using an Micro-CT（Micro-computed Tomography） scanner， followed by thre-dimensional （3D） reconstruction to generate stereoscopic images. Through various image processing functions such as segmentation， enhancement， and measurement of the Dragonfly software， the study performed arbitrary virtual sectioning on leather samples to thoroughly analyze their internal structural characteristics without damaging the samples. The results showed that pig hair follcles were arranged in groups of three， forming a triangular pattern； the fiber bundles in cattle leather were coarse，with a distinct boundary between the papilary layer and the reticular fiber layer；the fiber bundles in goat leather were fine，and the hair folicle tilt angle was the smallest. Significant variations in folicle inclination angles and depths among pig，cattle，and goat leather provide fundamental data and images for the identification of genuine leather materials.

Key Words： Micro-CT; leather; three-dimensional structure；virtual slice; hair follicle

0 引言

天然皮革是動(dòng)物生皮經(jīng)過鞣制、染色、整理等工藝加工而成[1]，具有柔軟、耐磨、高強(qiáng)度、高吸濕性和透水透氣性等優(yōu)良性能；按種類來分主要有豬皮革、牛皮革、羊皮革、馬皮革、驢皮革及少量蛇皮革、魚皮革等。隨著制革技術(shù)的不斷發(fā)展，皮革表層的天然結(jié)構(gòu)特征可能發(fā)生改變，若加工時(shí)皮革粒面的特征被完全破壞，即使使用電子顯微鏡技術(shù)也難以準(zhǔn)確區(qū)分皮革種類[2]。

目前常用的皮革分析方法包括感官鑒別法、燃燒法、化學(xué)溶解法、紅外光譜法、PCR法和顯微鏡法等[3]，然而部分方法具有樣品破壞性，部分方法難以克服由于皮革加工處理導(dǎo)致的表面信息丟失問題。感官法主要依賴觸覺和外觀特征進(jìn)行主觀判斷；燃燒法是利用皮革燃燒產(chǎn)生的氣味和殘?jiān)奶卣鱽韰^(qū)分皮革種類[4]；化學(xué)溶解法是根據(jù)天然纖維中蛋白質(zhì)在堿性條件下易溶解的特性來分析皮革[5」；紅外光譜法是利用紅外光譜圖中的特征峰來分析皮革特征[6-9];PCR技術(shù)則是通過擴(kuò)增不同品種天然皮革樣品的DNA序列，對(duì)比其遺傳信息來實(shí)現(xiàn)高精度鑒別[10-13]。上述方法大多側(cè)重皮革化學(xué)組成的分析，而對(duì)于皮革的物理結(jié)構(gòu)特征的研究主要依賴于光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡。然而，傳統(tǒng)的顯微鏡方法多局限于獲取皮革樣品的粒面、肉面或截面的二維特征信息，若要獲取皮革內(nèi)部的三維結(jié)構(gòu)特征，則需進(jìn)行切片或逐層打磨制樣，這樣不僅會(huì)破壞樣品，又費(fèi)時(shí)費(fèi)力。探索一種高效無損的皮革內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息提取新技術(shù)尤為重要[14-16]。因此，利用微計(jì)算機(jī)斷層掃描這一新技術(shù)來分析皮革內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征逐漸成為研究的熱點(diǎn)。

Micro-CT技術(shù)無需切片、噴鍍或化學(xué)處理等制樣步驟，憑借X射線的穿透能力，能夠在不破壞樣品的前提下實(shí)現(xiàn)全方位立體掃描，獲取高分辨率的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。近年來，該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、建筑工程、生物醫(yī)學(xué)及考古等多個(gè)研究領(lǐng)域[17-21]。

本文以豬、牛、羊皮革為研究對(duì)象，采用MicroCT技術(shù)對(duì)皮革樣品進(jìn)行掃描，高效無損地獲取其不同正交切面的二維圖像，并通過三維重構(gòu)生成立體圖像，結(jié)合Dragonfly軟件的圖像處理功能，系統(tǒng)分析皮革內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特征，為天然皮革的特征研究與分析鑒別提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1. 1 材料及儀器

1.1. 1 材料

皮革樣品均取自浙江省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)研究院的成品皮革，包括2張頭層豬皮革、2張頭層黃牛皮革和2張頭層山羊皮革。

1.1.2 儀器

Micro-CT（Xradia610Versa，德國(guó)蔡司有限公司）；場(chǎng)發(fā)射掃描電子電鏡（GeminiSEM5OO，德國(guó)蔡司有限公司）；離子濺射鍍膜儀（JEC-3000FC，日本電子株式會(huì)社）。

1. 2 分析方法

1. 2. 1 SEM樣品制備及表征

皮革樣品干燥處理后裁剪成約 5mm×5mm 大小，每樣3份，用導(dǎo)電膠粘貼在釘臺(tái)上，分別用于粒面、截面以及肉面的形貌掃描分析；將制好的樣品放入離子濺射儀中進(jìn)行鍍金處理，電流 20mA 時(shí)間 90s 。采用二次電子探測(cè)器，配合 15mm 光闌，設(shè)置電壓為 3kV ，并根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的放大倍數(shù)進(jìn)行掃描。

1.2.2Micro-CT樣品制備及表征

皮革樣品裁剪成約 5mm×5mm 大小，使用強(qiáng)力膠將其垂直粘貼在大頭針上，隨后將大頭針固定在樣品臺(tái)中，并置于儀器內(nèi)的工作臺(tái)底座上。之后，加載樣品并利用可見光攝像頭對(duì)感興趣區(qū)域進(jìn)行粗略地對(duì)中操作。

顯微鏡參數(shù)設(shè)置為：物鏡 4× ，源電壓 60kV ，功率6.5W，曝光時(shí)間1s，像素模式選擇 Bin2 ，不加濾片。精確對(duì)中，并調(diào)整射線源與樣品、探測(cè)器與樣品的距離，當(dāng)光信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到約5000且透過率大于70% 時(shí)，可獲得 3.4μm 的掃描分辨率。依據(jù)視場(chǎng)FOV情況選擇合適的投影數(shù)量后即可開始斷層圖像掃描。利用皮革內(nèi)部各個(gè)部位對(duì)X射線吸收的差異，當(dāng)X射線穿過豬、牛和羊皮革樣品后，未被樣品吸收的部分被探測(cè)器獲取并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，得到二維切片圖像，經(jīng)過 360^° 全方位掃描后，可獲得XY，XZ，YZ 共3個(gè)正交切面的原始數(shù)據(jù)和可以自由分割與調(diào)用的三維立體圖像。

1.2.3 圖像分析處理

將掃描得到的原始數(shù)據(jù)導(dǎo)人Reconstructor軟件中進(jìn)行重構(gòu)，對(duì)圖像進(jìn)一步優(yōu)化，以消除樣品在掃描過程中的漂移、射線硬化以及偽影等視覺干擾，有利于二維截面圖像以及三維立體圖像的處理分析。將重建的數(shù)據(jù)導(dǎo)人Dragonfly軟件，調(diào)節(jié)窗寬窗位，確保皮革樣品完整呈現(xiàn)，生成三維立體圖像、正交切面XY視圖、正交切面XZ視圖和正交切面YZ視圖（見圖1）。在不同正交切面選取合適的二維切片圖像，提取感興趣的截面圖像進(jìn)行特征分析。

圖1Dragonfly軟件三維視圖

1.2.4 毛發(fā)毛囊傾斜角度測(cè)量

用分割、測(cè)量工具在任意位點(diǎn)對(duì)樣品進(jìn)行分割測(cè)量，進(jìn)而觀察皮革內(nèi)部毛發(fā)毛囊的傾斜角度等特征。在YZ視圖中將三維坐標(biāo)軸定位在一個(gè)毛發(fā)毛囊上，調(diào)整三維坐標(biāo)軸角度，使其在XY視圖中能完整展現(xiàn)；使用工具測(cè)量毛發(fā)毛囊與粒面的夾角度數(shù)（見圖2），即毛發(fā)毛囊傾斜角度。每種皮革各選取2個(gè)樣品，在每個(gè)樣品中隨機(jī)選擇3個(gè)毛發(fā)毛囊，分別編號(hào)為A、B、C，測(cè)量其傾斜角度并計(jì)算平均值。

圖2毛發(fā)毛囊測(cè)量流程

1.2.5 纖維束直徑測(cè)量

掃描后，在正交切面YZ視圖上獲得約1000張切片圖像，對(duì)這些圖像從皮革粒面至肉面方向自動(dòng)依序編號(hào)，從中選取具有代表性的切片，利用軟件工具對(duì)纖維束直徑進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量方法為：在每張切片上隨機(jī)選取10根纖維束進(jìn)行測(cè)量，并計(jì)算取平均值。

2 結(jié)果與討論

2. 1 皮革表面特征的SEM分析

圖3為豬皮革、牛皮革和羊皮革的SEM圖像。從圖3（a）圖3（d）圖3（g）的粒面圖中可以觀察到豬皮革、牛皮革和羊皮革的毛孔分布特征；圖3（b）、圖3（e）、圖3（h）縱截面圖清晰展示了豬皮革、牛皮革和羊皮革中乳頭層和網(wǎng)狀層的分界；而在圖3（c）、圖3（g）圖3（i）的肉面圖中可以發(fā)現(xiàn)，皮革纖維呈現(xiàn)均由單根纖維相互纏繞而形成的纖維束。皮革樣品的粒面、肉面信息可能因涂覆層或磨損而被破壞，同時(shí)，其截面信息也可能因加工或?qū)W(wǎng)狀層做了分割處理而出現(xiàn)缺失。SEM通過電子束與皮革樣品待測(cè)表面相互作用產(chǎn)生多種信號(hào)，進(jìn)而形成反映皮革樣品表面形貌的高分辨成像圖。然而，SEM只能提供樣品表面信息，每次僅能獲得一個(gè)固定平面的圖像，無法直接觀測(cè)樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征；一般需要經(jīng)過樹脂包埋、切片、重構(gòu)等許多步驟才能獲得立體圖像，內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息的獲取難度大、耗時(shí)長(zhǎng)[22-23] 。

圖3豬皮革、牛皮革和羊皮革的SEM圖像

2.2 皮革內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征的Micro-CT分析

2.2.1 皮革三維立體特征和剪裁效果

將手動(dòng)重構(gòu)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Dragonfly軟件后，通過窗寬窗位的調(diào)節(jié)，得到去除低密度空氣部分的豬、牛、羊皮革樣品原始圖像（見圖4（a）—（c））。

以圖4（d）一（f為牛皮革樣品為例，拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)圖像，可以清晰地看到皮革樣品的外觀特征，包括粒面乳突的起伏程度和毛孔的分布情況、肉面纖維束形態(tài)以及縱截面乳頭層和網(wǎng)狀纖維層的差異特征。同樣以牛皮革為例，圖4（g）為使用剪裁工具對(duì)牛皮革樣品三維圖像進(jìn)行虛擬切片處理的效果，任意調(diào)節(jié)剪裁深度，可以分別觀察到乳頭層毛發(fā)毛囊生長(zhǎng)和分布特征以及網(wǎng)狀纖維層縱截面和橫截面纖維束的形態(tài)和排列特征。圖4（h）為牛皮革剪裁至乳頭層效果圖，圖中毛發(fā)毛囊形態(tài)清晰、成束聚集生長(zhǎng)；圖4（i為牛皮革剪裁至網(wǎng)狀纖維層效果圖，圖中纖維束粗大圓潤(rùn)，編織松散有明顯空隙。

圖4 三維立體圖像

2.2.2 皮革縱截面特征

圖5為豬皮革縱截面圖像。從圖5可知：豬皮革整個(gè)革身較薄，毛發(fā)毛囊直接貫穿整個(gè)革層；纖維束短小、粗壯，排列比較規(guī)整且無明顯分層變化情況；纖維束直徑較小，自粒面到肉面呈現(xiàn)由細(xì)到粗的變化特征。

圖5 豬皮革縱截面圖像

圖6為牛皮革縱截面圖像，可清晰觀察到毛發(fā)毛囊的形態(tài)，毛發(fā)毛囊短而粗，呈直線狀，截面為圓形或橢圓形；牛皮革的粒面較為平整，乳頭層的纖維束編織細(xì)密緊湊，接近肉面纖維束逐漸變得疏松且粗大，肉面纖維束更加疏松，空隙較多。

圖6牛皮革縱截面圖像

圖7為羊皮革縱截面視圖圖像。圖7顯示：羊皮革較薄，纖維束編織相對(duì)疏松，毛發(fā)毛囊細(xì)長(zhǎng)且略有彎曲，截面多為不規(guī)則橢圓形，呈明顯的成束生長(zhǎng)特征；粒面凹凸不平，近粒面的乳頭層纖維細(xì)密，編織緊湊，而靠近肉面纖維束編織相對(duì)疏松且空隙多。

圖7羊皮革縱截面圖像

毛發(fā)毛囊傾斜角度結(jié)果見表1。從表1可知：3種皮革的毛發(fā)毛囊傾斜角度存在明顯差異，豬皮革毛發(fā)毛囊傾斜角度較大，1#和2#樣品的平均值分別為 30.63^° 和 27.92^° ，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差 （RSD ）較大，表明其毛發(fā)毛囊排列一致性較差；牛皮革的毛發(fā)毛囊傾斜角度適中，分別為 26.68^° 和 25.86^° ，RSD較小，表明其毛發(fā)毛囊排列較為整齊；羊皮革的毛發(fā)毛囊傾斜角度最小，平均值分別為 19.19^° 和 18.53^° ，RSD最小，表明其毛發(fā)毛囊排列一致性較高。綜上所述，毛發(fā)毛囊傾斜角度是不同種類皮革的重要特征。

表1毛發(fā)毛囊傾斜角度

2.2.3 皮革橫截面特征

橫截面（正交切面YZ）能夠直觀呈現(xiàn)皮革由粒面到肉面的毛發(fā)毛囊分布特征以及纖維束形態(tài)和編織情況。豬皮革經(jīng)掃描后，在正交切面YZ視圖上有1029張切片，其中含豬皮革樣品橫截面的切片約在第400張至第650張之間。圖8為選取的具有代表性的切片圖像。圖8顯示：豬皮革內(nèi)部纖維束結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，毛發(fā)毛囊排列較為稀疏，通常呈3束一組，且以銳角三角形的形式聚集；纖維束整體短粗、編織干凈規(guī)整，緊密度在不同切片中有所變化。其中，靠近粒面纖維束編織較為致密，空隙較少；靠近肉面纖維束分布松散，出現(xiàn)明顯的空隙，牛皮革經(jīng)掃描后，在正交切面Y2視圖上有980張切片，其中含牛皮革樣品橫截面的切片約在第350張至第750張之間。選取具有代表性切片圖像進(jìn)行分析，結(jié)果如圖9所示。由圖9可以看出：牛皮革毛發(fā)毛囊并未貫穿整個(gè)革層，從粒面到肉面可以觀察乳頭層和網(wǎng)狀纖維層結(jié)構(gòu)的變化；在乳頭層中，毛發(fā)毛囊成團(tuán)聚集，纖維束極細(xì)且纏繞在毛囊周圍，毛發(fā)毛囊傾斜角較大，橫截面接近圓形；在網(wǎng)狀纖維層中，纖維束粗大圓潤(rùn)，每根纖維束由多根同向排列的纖維構(gòu)成。

圖8豬皮革橫截面圖像

圖9牛皮革橫截面圖像

羊皮革經(jīng)掃描后，在正交切面YZ視圖上有989張切片，其中含羊皮革樣品橫截面的切片約在第300張至第700張之間。選取具有代表性的切片圖像進(jìn)行分析（見圖10），與牛皮革類似，羊皮革的乳頭層和網(wǎng)狀纖維層也存在明顯的差異。乳頭層中，毛發(fā)毛囊呈規(guī)律性排列，多為幾根針毛和絨毛一組呈線性生長(zhǎng)在一起，纖維束極細(xì)，纏繞在毛囊周圍，毛發(fā)毛囊傾角較小，橫截面上毛發(fā)毛囊呈橢圓形；網(wǎng)狀纖維層中，纖維束較細(xì)且彎曲，排列無明顯規(guī)律。

圖10羊皮革橫截面圖像

通過纖維束直徑測(cè)量計(jì)算，探究豬、牛、羊皮革纖維束直徑隨深度變化的趨勢(shì)，結(jié)果如圖11所示。圖11顯示：隨著切片深度（從粒面到肉面）的增加，3種皮革的纖維束直徑均呈增大趨勢(shì)，但增幅和變化規(guī)律存在明顯差異。牛皮革的纖維束直徑隨切片深度增加而呈顯著增大趨勢(shì)，尤其在深度 300μm 之后，最大直徑可達(dá) 140μm 。同時(shí)，誤差棒較大，表明其纖維束在深層區(qū)域分布不均，可能受松散程度影響；羊皮革的纖維束直徑整體較小，隨深度增加由10μm 逐漸增長(zhǎng)至 30μm ，且變化幅度較小，表明其纖維束較細(xì)且緊密纏繞，內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；豬皮革在近粒面 lt;300μm） 中，其纖維束直徑與牛皮革相近，在更深層切片 （gt;300μm） 中，直徑增大趨緩，且存在一定波動(dòng)，該現(xiàn)象可能與其纖維束長(zhǎng)徑比較小、接近肉面時(shí)容易松散有關(guān)。以上結(jié)果表明，牛皮革的纖維束直徑增大最顯著，結(jié)構(gòu)較為疏松，羊皮革纖維束直徑較小且變化幅度較小，結(jié)構(gòu)相對(duì)緊密；豬皮革則介于二者之間，在深層區(qū)域增大不明顯，可能受纖維束排列方式的影響。

圖11纖維束直徑變化曲線

3結(jié)論

本文利用Micro-CT技術(shù)獲取豬、牛、羊皮革的數(shù)據(jù)圖像，結(jié)合Dragonfly圖像處理軟件對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行無損分析，揭示了不同皮革在纖維束形態(tài)以及毛發(fā)毛囊等方面的特征，主要結(jié)論如下：

a）Micro-CT技術(shù)無需對(duì)樣品進(jìn)行包埋、切片和噴鍍等復(fù)雜的前處理，克服了傳統(tǒng)顯微法在樣品制備和內(nèi)部結(jié)構(gòu)觀察方面的不足，利用軟件處理直接獲取皮革內(nèi)部圖像數(shù)據(jù)。

b）豬、牛、羊皮革內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異顯著。豬皮革內(nèi)部纖維短小圓潤(rùn)，呈規(guī)律性編織；牛皮革粒面平整，分層差異顯著，網(wǎng)狀纖維層中纖維束粗大；羊皮革粒面有明顯乳突，乳頭層和網(wǎng)狀纖維層中纖維束均細(xì)小且無規(guī)則纏結(jié)。

c）毛發(fā)毛囊是不同種類皮革的重要特征之一。豬皮革中的毛囊3個(gè)1組呈三角形結(jié)構(gòu)，毛發(fā)毛囊排列分散，傾斜角度較大且差異明顯；牛皮革毛發(fā)毛囊成團(tuán)生長(zhǎng)，分布散亂，傾斜角度居中；羊皮革針毛絨毛成組呈線性生長(zhǎng)，毛發(fā)毛囊排列緊密，傾斜角度最小且差異較小。毛發(fā)毛囊的傾斜角度受皮革種類及內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻性影響。

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（責(zé)任編輯：張會(huì)?。?/p>